Transketolaasi-like-1-geenin rooli nykyajan ihmisen aivojen kehityksessä

Transketolaasi-like-1-geenin rooli nykyajan ihmisen aivojen kehityksessä

Äskettäin julkaistussa tutkimuksessa vuonna Tiede Tutkijat osoittivat, kuinka transketolaasi-like 1 (TKTL1) -geenin ilmentyminen vaikuttaa neokortikaaliseen neurogeneesiin nykyihmisillä.

Lernen: Menschliches TKTL1 impliziert eine größere Neurogenese im frontalen Neokortex moderner Menschen als bei Neandertalern. Bildnachweis: iurii/Shutterstock

tausta

Mielenkiintoista on, että yksi aminohapposubstituutio TKTL1:ssä, apinoiden ja arkaaisten ihmisten lysiinistä nykyajan ihmisen arginiiniin, muutti aivokerrosten, kuten neokorteksin, toimintaa ja organisaatiota, erityisesti otsalohkossa. Evoluutiomuutokset aivojen neokorteksissa ja samaan aikaan lisääntynyt hermosolujen tuotanto paransivat nykyihmisen kognitiivisia kykyjä. Endocast-analyysit ovat osoittaneet, että nykyihmisen ja neandertalilaisten endokraniaalinen tilavuus oli samanlainen, mikä viittaa samanlaiseen neokorteksin kokoon. Fossiilit eivät kuitenkaan voineet auttaa arvioimaan, merkitsikö samanlainen neokorteksin koko samanlaista neokortikaalista hermosolujen tuotantoa.

Edellinen tutkimus Pinson et al. analysoitiin yhden aminohapon muutoksen vaikutusta TKTL1-proteiinissa basaalisen radiaalisen glian (bRG) tuotantoon, soluihin, jotka muodostavat suurimman osan neokorteksista. He havaitsivat, että organoideissa ihmisen TKTL1:n variantti (hTKTL1) tuotti enemmän neuroprogenitoreja kuin arkaainen variantti (aTKTL1), joka löytyy neandertalilaisista, denisovaneista ja muista kädellisistä. Ehkä siksi nykyihmisen aivoissa on enemmän neokorteksia kuin neandertalilaisten.

Opiskelusta

Tässä tutkimuksessa tutkijat tarkastelivat TKTL1:n roolia neokorteksin kehityksessä, mikä puolestaan ​​vaikuttaa neuroprogenitorien määrään. Lisäksi he määrittelivät, onko aTKTL1:llä ja hTKTL1:llä samanlaisia ​​vaikutuksia neuroprogenitoreihin neokorteksin kehityksen aikana.

Tutkimuksessa käytettiin geenien yli-ilmentymistä hiiren ja fretin neokorteksin kehittämisessä. Samoin he käyttivät knockout-teknologiaa ihmisen sikiön neokortikaalisessa kudoksessa ja genomin muokkaustekniikkaa aivoorganoidejen tutkimiseen.

Käyttämällä klusteroituja säännöllisesti välimatkan päässä olevia lyhyitä palindromisia toistoja (CRISPR) - CRISPR-assosioitunutta proteiini 9 (Cas9) -välitteistä hTKTL1-poistotekniikkaa he osoittivat, että hTKTL1-poisto sikiön ihmisen neokortikaalikudoksessa vähensi merkittävästi brG-lukuja. Seuraavaksi ryhmä käytti aivojen organoideja vahvistaakseen tulokset. Näissä ihmisen alkion kantasoluista valmistetuissa miniaivorakenteissa oli aTKTL1 hTKTL1:n sijasta.

Erityisesti ryhmä sai kokonaisribonukleiinihapon (RNA:n) vale- ja geenimuokatuista H9-peräisistä ihmisen organoideista. He käyttivät kvantitatiivista reaaliaikaista PCR:ää (qPCR) vahvistaakseen, että nämä organoidit ilmensivät TKTL1-lähetti-RNA:ta (mRNA), mitä seurasi PCR-tuotteiden Sanger-sekvensointi. He kartoittivat vale- ja geenimuokatut organoidit ihmisen TKTL1-geeniin vahvistaakseen hTKTL1-mRNA:n ilmentymisen valemuokattuissa ihmisen organoideissa ja arkeaalisen TKTL1-mRNA:n ilmentymisen geenimuokattuissa ihmisen organoideissa.

Ennen immunofluoresenssia he leikkaavat kryostaatilla 20–50 μm paksuisia koronaalisia kryosektioita ja säilyttivät nämä näytteet -20 °C:ssa. Ensin ryhmä altisti yhden solususpension alkion hiiren neokorteksista solupinnan värjäykseen. Seuraavaksi he mikroleikkasivat sen epifluoresenssistereomikroskoopilla. Tällä tavalla he saivat neokorteksin elektroporoidun alueen. Lopuksi ryhmä käytti massaspektrometriaa (MS) määrittääkseen asetyylikoentsyymi A:n (asetyyli-CoA) pitoisuudet fluoresenssiaktivoidulla solulajittelulla (FACS) eristetyssä bRG:ssä.

Tutkimustulokset

Tietenkin hiiren alkion neokorteksista puuttuu TKTL1-ekspressio. hTKTL1-geenin vieminen hiiren alkioiden neokorteksiin lisäsi bRG:n esiintymistiheyttä vaikuttamatta basaaliseen väliprogenitoriin (bIP) ja apikaaliseen progenitoripopulaatioon, mikä puolestaan ​​lisäsi aivokuoren hermosolujen tuotantoa ajan myötä, erityisesti myöhään kehittyvien ylemmän kerroksen neuronien osalta. Sitä vastoin aTKTL1, joka erosi vain yhdellä aminohapolla, ei lisännyt bRG: n runsautta.

Lisäksi kirjoittajat havaitsivat, että hTKTL1:n ilmentyminen lisäsi bRG:n runsautta ja moniprosessiisen bRG:n osuutta, bRG:n tunnusmerkkiä, joka voi olla itseään vahvistava, fretin neokorteksin kehittymisessä. Tämän seurauksena fretin gyruskoko kasvoi.

Lisäksi tutkijat havaitsivat, että aTKTL1:tä ilmentävät soluorganoidit sisälsivät vähemmän bRG- ja neuroprogenitorisoluja. Tämä havainto vahvisti, että lysiinistä arginiiniksi substituutio hTKTL1:ssä oli välttämätön bRG-populaation ylläpitämiseksi tässä ihmisen aivomallissa. Samoin hTKTL1-ekspressio lisääntyi neuroprogenitoreissa neurogeneesin aikana ihmisen sikiön neokorteksissa. Mielenkiintoista on, että tämä ilmentyminen oli korkeampi kehittyvässä otsalohkossa kuin kehittyvässä takaraivolohkossa.

Toinen mielenkiintoinen havainto oli, että hTKTL1 lisäsi bRG-populaatiota kahden peräkkäisen metabolisen reitin, pentoosifosfaattireitin (PPP) ja rasvahapposynteesin kautta. Siksi, kun tutkijat tukahduttivat PPP- tai rasvahapposynteesireittejä sarjalla spesifisiä estäjiä, hTKTL1-indusoitu bRG-populaation kasvu alkion hiiren neokorteksissa lakkasi. Samoin bRG-luvut vähenivät ihmisen sikiön neokortikaalikudoksessa.

Lisäksi kirjoittajat havaitsivat, että hTKTL1-stimuloiduissa bRG:issä, mutta ei aTKTL1-indusoiduissa bRG:issä, oli korkeampi pitoisuus asetyyli-CoA:ta, metaboliittia, joka on ratkaiseva rasvahapposynteesille. Siten vain hTKTL1 edisti sellaisten kalvolipidien synteesiä, jotka sisälsivät tietyntyyppistä rasvahappoa, jota tarvitaan bRG-prosessien kasvuun, lisäten niiden populaatiota.

Johtopäätökset

Nykyinen tutkimus osoitti, mikä erottaa neokortikaalisen neurogeneesin nykyihmisissä neandertalilaisista. Vaikka näillä arkaaisilla ihmisillä oli samanlaiset aivot (kooltaan) kuin nykyaikaisilla ihmisillä, yksi lysiini-arginiini-substituutio hTKTL1-geenissä johti bRG:n runsauttamiseen, mutta ei bIP:iden runsautta, mikä puolestaan ​​synnytti enemmän neokortikaalisia hermosoluja nykyaikaisilla ihmisillä. Lisäksi tutkijat osoittivat, että hTKTL1-vaikutus vaati PPP- ja rasvahapposynteesiä, ja näiden reittien estäminen vähensi bRG:n runsautta ihmisen sikiön neokortikaalikudoksessa.

Viite:

• Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, Christina Eugster Oegema, Sofia Traikov, Katrin Reppe, Stephan Riesenberg, Tomislav Maricic, Razvan Derihaci, Pauline Wimberger, Svante Pääbo, Wieland B. Huttner. (2022). Menschliches TKTL1 impliziert eine größere Neurogenese im frontalen Neokortex moderner Menschen als bei Neandertalern. Wissenschaft. doi: 10.1126/science.abl6422 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6422

.